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为什么二氧化碳会成为地球的温室气体?

时间: 2021年06月11日 | 作者: Admin | 来源: 新浪科技
为什么二氧化碳被人们称为温室气体呢?二氧化碳是一种红外活性分子,它能吸收地球表面释放的长红外辐射。



  1856年夏季,科学家尤妮斯·福特试图找出影响太阳光热量的因素,她的实验结论显示,在阳光照射下,富含碳酸气体(现在被称为二氧化碳)的封闭环境比在普通空气环境中升温更快,当远离阳光直射时,它的冷却速度要慢很多。


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  尤妮斯在论文中指出,富含二氧化碳的大气层会给地球带来高温,假设在地球历史上的某个时期,空气中混入二氧化碳的比例比现在更大,将出现高温气候……。但由于该论文并未发表,该研究结论在当时并未引起太多关注,但现在伴随着全球气候趋暖,人们开始更加关注二氧化碳气体效应,显然当前正如尤妮斯在19世纪50年代所预测的那样,人类正在面对一个不太愉快的高温未来。


  除非人类能在地下环境生活十几年,否则你肯定知道二氧化碳是一种导致全球气候转暖的温室气体(虽然从技术上讲,全球气候转暖是由于人类活动所导致的),但是,当空气中其他主要成分不是温室气体时,二氧化碳有什么“资格”成为温室气体呢?让我们来了解一下,二氧化碳气体如何使苏打水产生气泡,以及如何导致冰川崩溃……


  温室气体简史


  地球平均每天从太阳接收到大约10亿焦耳的能量,赋予生命的阳光是紫外线、可见光和红外线的混合物。


  在所有光线到达地球表面之前,我们的大气层就像一个55000万亿吨的气体毯漂浮在人类头顶上,在臭氧层的帮助下过滤了99%的紫外线(不是100%,因此人们不要忘记涂防晒霜)。然后大气层能让可见光照射进来,照亮地球,最终红外线能使地球变暖,使处于寒冷状态中的生命获得热量。


  照射地球表面的红外线被不同物体吸收,然后以热量的形式辐射出去,反射的热量试图从天空中被加热区域转移至较冷区域,这时它们面临着热量的“控制者”——温室气体。


  像二氧化碳、水蒸汽、氮氧化物、甲烷和含氯氟烃等气体,能够阻止热量完全逸入太空,如果没有它们,地球将会是一个平均温度低于零下18摄氏度的冰冻星球。


  什么因素使二氧化碳气体成为温室气体?


  在该情况下,当我们说红外线或者红外辐射时,通常指的是地球表面反射的红外射线,而不是与太阳光线一起进入地球大气层的红外射线。


  空气的主要成分,例如:氮气和氧气,对红外辐射是“透明”的,这意味着这些气体不与红外辐射相互作用,然而,二氧化碳气体具有红外活性,它会与红外辐射发生一些化学反应,从而阻止二氧化碳离开地球(虽然不是全部)。那么这些分子干扰红外射线的路径时会发生什么呢?为此,我们需要放大单个气体分子。


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  即使在常温常压条件下,气体分子也处于恒定振动状态,当受到外部能量的冲击时,这些运动会变得更加剧烈。现在人们可以想象一下二氧化碳分子的碳原子和氧原子是乒乓球,连接它们的键是弹簧。在正常情况下,这些化学键会以特定频率弯曲和拉伸,并在大气中悬浮。


  当红外辐射光子撞击气体分子时,气体分子会吸收光子然后被激活,并开始以更快的速度振动,然而,该气体分子不能保持长时间较快运动,必须放松恢复至原始状态,它通过将能量释放至空气,或者转移至附近的二氧化碳分子来实现。


  同样的现象在数万亿个二氧化碳分子中一次次重复发生,能量的持续吸收、激活和再释放是气体分子捕获热量的根本原因。


  为什么氮气和氧气不是温室气体呢?


  在每个分子中,由于原子核和电子云的相互作用,它们都拥有正负电荷,当二氧化碳、甲烷或者二氧化氮等杂核分子发生振动时,它们的电荷分布会发生变化。有时它们是均匀分布的,但有时不是。化学键之间电荷的不均匀分布会产生电场,使它们对电磁辐射(例如:红外辐射)非常敏感。


  然而,在像氮气和氧气这样的杂核气体中,即使化学键被拉伸,电场也不会发生变化,因此,电磁辐射不受阻碍地通过它们,此外,当涉及到与辐射相互作用的频率时,气体分子是非常挑剔的。二氧化碳容易吸收较低能量的长波红外辐射,而氮气和氧气仅吸收较高能量的辐射,例如:伽马或者X射线。



  二氧化碳是最危险的温室气体吗?


  单个含氯氟烃分子所产生的碳足迹相当于10000个二氧化碳分子,甲烷可以吸收30倍以上的热量,而水蒸汽是空气中所有温室气体中吸收热量最强的。


  尽管水蒸汽比二氧化碳吸收热量更多,但它们的浓度并没有受到人类活动的显著影响。二氧化碳就完全不一样,因为它是人为活动的主要副产品,自上世纪70年代以来,二氧化碳排放量增大了90%,因此,虽然二氧化碳本身不是最危险的温室气体,但由于它向大气中不受管制地过度排放,现已成为人们关注的焦点。


  结论


  二氧化碳是维持地球具有生命适宜性的一个非常重要因素,它可以使水保持液态,使人类家园适宜居住,但由于过度排放造成的失衡,夏季气温逐年递增,幸运的是,大自然以土壤、森林和海洋的形式为我们提供了巨大的碳沉积,我们至少能保护和修复地球,提供较好的生命适宜环境。(叶倾城)